脂肪间充质干细胞在治疗骨关节炎中的临床应用

近日，中国药科大学生命科学与技术学院在《World J Stem Cells》上发表了一篇文章，文章报道了脂肪间充质干细胞在已被用于治疗OA，取得了良好的治疗效果。这种安全、简便、有效的疗法有望在未来得到应用和推广。

骨关节炎 (OA) 被认为是一种高度异质性的疾病，具有进行性软骨丢失、软骨下骨重塑和低度炎症。它是世界上导致残疾的主要原因之一。OA的常规临床治疗多为姑息性药物，不能从根本上治愈该病。来自脂肪组织的基质血管部分 (SVF) 是异质细胞群。根据以往的研究，它含有大量的间充质干细胞，已被用于治疗OA，取得了良好的治疗效果。这种安全、简便、有效的疗法有望在未来得到应用和推广。本文详细介绍了 OA的发病机制、和目前的临床治疗方法。

骨关节炎的发病机制

软骨破坏、软骨下骨重塑、骨赘形成、关节囊增厚都是OA发病的一部分，可能需要数年时间。应该注意的是，四肢的关节炎前期畸形也可能导致骨关节炎。例如，严重的外翻或内翻畸形会导致外侧或内侧膝关节炎。这会产生关节内高应力分布的变化，导致力不平衡，进而加速关节炎病理。

OA的炎症是低度和慢性的，导致先天性和适应性免疫系统都被激活（主要是先天免疫系统），将OA与类风湿性关节炎区分开来。通常，关节软骨由水、软骨细胞和细胞外基质组成。细胞外基质由软骨细胞合成和分泌，含有胶原蛋白（主要是II型胶原蛋白）、蛋白多糖、透明质酸（HA）和小分子糖蛋白。II型胶原蛋白和其他细胞外基质可以形成网状结构，为关节软骨提供抗压能力。

当OA发生时，软骨细胞会产生多种引起炎症的炎性细胞因子和趋化因子，如白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）。同时，软骨细胞产生MMP，以及具有血小板反应蛋白样基序 (ADAMTS) 的去整合素和金属蛋白酶。II型胶原是解整合素的靶标，蛋白多糖是ADAMTS的靶标；这些蛋白质一起最终导致软骨分解代谢增加，合成代谢和修复减少。值得注意的是，关节中的成骨细胞、滑膜细胞和单核细胞可产生IL-1β、TNF-α、MMPs等。

软骨下骨位于关节软骨钙化层下方，包含血管和神经，可为关节软骨提供机械支撑。在OA的早期阶段，破骨细胞介导软骨下骨的重塑。随着OA的进展，磁共振成像 (MRI) 可以检测到不同程度的软骨下骨硬化、骨赘和软骨下骨囊肿。这种改变可能会减少软骨下骨对关节软骨的机械支撑，使关节软骨容易受到损伤。

滑膜炎是OA最常见的并发症之一。在骨关节炎的进展过程中，滑膜可能会显着增殖，滑膜细胞也可能分泌促炎因子和基质金属蛋白酶，以帮助骨关节炎的发展。除了关节的局部炎症机制外，越来越多的证据表明，肥胖可以使人体长时间处于低度炎症环境中。与BMI正常的人相比，肥胖者患OA的风险明显更高。

治疗骨关节炎的方法有哪些？

OA的治疗主要包括改变生活方式、物理治疗、药物治疗、关节内治疗和手术。然而，目前还没有完全治愈 OA的方法。

OA早期治疗的目标是减轻疼痛和僵硬。治疗方法通常包括适度运动、饮食和口服药物。OA中晚期的治疗目标是维持身体机能。治疗方法通常包括关节内注射疗法和手术。根据国际骨关节炎研究协会的说法，适当的结构化陆上运动是治疗OA最有效的方法之一，因为它可以减轻关节疼痛和僵硬。此外，减肥也是肥胖患者改善OA的重要途径之一。

物理疗法包括电疗、热疗和针灸。药物治疗中常用镇痛、抗炎、保护软骨的药物。然而，这些疗法只能减轻疼痛症状并减缓炎症过程；他们不能阻止OA的发展。

在临床上，关节腔注射疗法是一种微创治疗方法。注射的治疗剂包括糖皮质激素、透明质酸钠、富血小板血浆 (PRP)、骨形态发生蛋白7 (BMP-7) 和干细胞。需要注意的是，超声可用于指导晚期骨关节炎和肥胖患者关节内注射的使用。一种使用纳米级材料（包括胶束、脂质体和树枝状聚合物）的新型关节内可注射载药递送系统，已经提出。这种方法可以减缓药物释放，延长药物在关节腔内的滞留时间。

OA治疗的手术方法主要包括关节镜清创术、微骨折术、异体/自体软骨移植、人工关节置换等。例如，对于额骨排列不齐和内翻或外翻排列不齐，胫骨高位截骨术可用于矫正胫骨近端角，从而减轻疼痛并延缓关节炎的进展。然而，手术是侵入性的并且具有一定的风险。因此，它仅适用于关节发生严重退行性改变的患者，如关节间隙缩小或消失，严重影响其生活质量。该疗法不适用于早期OA的治疗。

基质血管部分

SVF是一种多细胞成分，通过胶原酶消化、离心、洗涤和过滤等过程从脂肪组织中提取。临床上，例如，抽脂术可用于从腹部、腹股沟、前臂和臀部等区域获取脂肪组织。

SVF主要由脂肪间充质干细胞 (ADSC)、造血干细胞/祖细胞、淋巴细胞、单核细胞/巨噬细胞、内皮细胞和周细胞组成。ADSC是SVF的重要组成部分，约占SVF细胞群的10%。ADSCs赋予SVF干细胞的特性，其他细胞也对分泌活性细胞因子、调节机体免疫等起到积极作用。由于SVF在组织再生、血管重建和抗炎特性方面表现出卓越的治疗价值，因此在临床实践中得到广泛应用。

使用关键词“基质血管部分”和“骨关节炎”搜索临床研究数据库（https://www.clinicaltrials.gov/）。剔除撤回研究后，得到目前SVF治疗骨关节炎的临床试验研究，见表格1。

基质血管部分在骨关节炎中的临床研究

临床上，OA的药物治疗可以缓解疼痛和部分症状，但不能修复或抑制软骨等关节组织的损伤。因此，既不能从根本上解决软骨退化问题，也不能阻止骨关节炎的进展。虽然手术治疗可用于修复软骨损伤，但OA的​​长期治疗效果有限，且存在诸多弊端和风险。另外需要注意的是，手术治疗只适用于中晚期OA患者的治疗。因此，关节腔内干细胞注射这种微创、安全、快速的治疗方法得到了越来越多的关注和应用。

间充质干细胞（MSCs）来源于中胚层，可分化为脂肪细胞、成骨细胞、软骨细胞等中胚层细胞。这种分化潜能使MSCs成为OA的有前途的替代治疗方法。MSC 可来源于脐带、骨髓和脂肪组织。与其他来源的组织相比，脂肪组织含量丰富，更容易获得（通过抽脂），并且含有更多的干细胞（ADSCs）。ADSC是一种MSC。此外，ADSCs具有更高的遗传稳定性、更高的增殖和分化能力、更低的衰老速度和更长的端粒长度，使其成为OA最有希望的治疗选择。

体外贴壁培养扩增后，可通过SVF获得ADSCs 。然而，由于繁琐且耗时的体外扩增步骤会带来污染风险以及时间和经济成本，因此研究人员将注意力转移到了不需要培养的 SVF 上。SVF中丰富的细胞成分，不仅可以分化成软骨细胞，帮助组织修复，还可以分泌活性细胞因子，调节人体免疫系统，发挥抗炎作用等。因此，临床研究人员更喜欢 SVF。

本研究使用关键词“stromal vascular fraction”和“osteoarthritis”搜索 PubMed、Web of Science、Cochrane Library 和 Google Scholar，在去除重复和非英文文献后，我们筛选了SVF治疗OA的临床试验发表于2016年和2020年。最终得到22个研究，如表2。

表2：血管基质成分治疗骨关节炎的临床研究

Ref.	Treatment	Study type	Patients	Follow-up time	Outcome assessments	Consequences
OA position/number
Pak et al (2016, 2018)	SVF + HA + PRP	Case report	3 patients: 1 male, age: 68; 2 females, age: 60 and 87	3.5 mo	FRI, MRI, ROM, VAS	Cartilage repaired showed by MRI; all scores improved
Knee
Fodor et al (2016)	SVF	Pilot study	6 patients: 1 male, 5 females, mean age: 59	12 mo	ROM, WOMAC, VAS, TUG, MRI	All scores improved, no MRI evidence of cartilage regeneration
NCT02357485	Knee/8 OA
Yokota et al (2017)	SVF	Case report	13 patients: 2 males, 11 females, mean age: 74.5	6 mo	VAS, JKOM, WOMAC	All scores improved
Knee/26 OA
Nguyen et al (2017)	AM vs AM + SVF + PRP	Comparative study	30 patients (15 per group: 3 males, 12 females) mean age: 58	18 mo	VAS, Lysholm, WOMAC, MRI	All scores improved compared with AM group; AM + SVF + PRP group had obvious cartilage repair show by MRI
NCT02142842	Knee
Michalek et al (2017)	SVF	Case control multi-centric non-randomized study	1128 patients: 596 males, 532 females, median age: 62	17.2 mo	Modified KOOS/HOOS	KOOS/HOOS improved, most patients gradually improved, obesity and more severe OA healed slowly
Knee and hip/1856 OA
Tantuway et al (2017)	SVF	Case report	101 patients: 41 males, 60 females, age: 29-84	3-24 mo	KOOS	KOOS and joint function improved, pain relieved, patients could move normally
Knee/201 OA
Russo et al (2017, 2018)	SVF	Retrospective study	30 patients: 21 males, 9 females, median age: 43	12-36 mo	Lysholm, VAS, IKDC-subjective, KOOS	41%, 55%, 55%, 64% of the patients improved in the scores, respectively
Diffuse degenerative keen
Bright et al (2018)	SVF	Case report	1 patient: female, age: 27	3 yr	WOMAC, HOOS	Symptoms of OA reduced, all scores improved, ankylosing spondylitis, depression, anxiety and fatigue improved
Knee and hip
Barfod et al (2019)	SVF	Prospective cohort study	20 patients, mean age: 49	12 mo	KOOS	KOOS improved
NCT02697682	Knee
Roato et al (2019)	SVF	Case report	20 patients: 9 males, 11 females, mean age: 59.6	18 mo	VAS, WOMAC	Pain relieved, scores improved
Knee
Hudetz et al(2019)	SVF	Prospective, non-randomized and single center study	20 patients: 15 males, 5 females	12 mo	VAS, WOMAC, KOOS	All scores improved, pain and symptoms relieved for up to a year
Knee
Berman et al (2019)	SVF	Case report	2586 patients	2-5 yr	Questionnaire (visual acuity pain scores, sustained improvement in function)	Over 80% of patients’ pain relieved, joint function improved and maintain 1 yr; outcomes between male and female or between SVF alone and SVF + PRP showed no difference
NCT10953523	Knee
Michalek et al(2019)	SVF	Multicenter case-control study	29 patients: 9 males, 20 females, mean age: 83.3	36 mo	Modified KOOS/HOOS	Apart from 3 elderly patients died from aging, other patients’ pain and weekly dosage of analgesics were reduced, KOOS/HOOS improved
Knee and hip
Yokota et al (2019)	ADSC vs SVF	Retrospective cohort study	ADSC: 42 patients; SVF: 38 patients	6 mo	VAS, KOOS	No major complications occurred, knee joint effusion was more likely to occur in SVF group than ADSC group (SVF 8%, ADSC 2%); VAS and KOOS improved in both groups
Knee/128 OA
Mayoly et al(2019)	SVF +PRP	Case report	3 patients: 1 male, 2 females, mean age: 62	12 mo	VAS, PRWE, DASH	All scores improved
NCT03164122	Wrist
Hong et al(2019)	SVF vs HA	Double-blind randomized self-controlled trial	16 patients (with bilateral symptomatic knee OA) one side: SVF, the other side: HA. 3 males, 13 females, mean age: 52	12 mo	VAS, WOMAC, ROM, MRI (MOCART, WORMS)	Significant improvement of VAS, WOMAC and ROM in SVF group, but no improvement in HA group; SVF group was superior to HA group in cartilage repair showed by MOCART and WORMS
Knee
Tran et al(2019)	SVF + AM vs AM	Single-center, non-randomized, placebo-controlled study	33 patients, placebo group (AM): 3 males, 12 females, mean age: 58.2; SVF group (SVF + AM): 5 males, 13 females, mean age: 59	24 mo	VAS, WOMAC, Lysholm, OS	VAS, WOMAC of SVF group reduced significantly compared with placebo group, and maintained 24 mo; Lysholm, OS of SVF group improved
Knee
Garza et al(2020)	SVF	Double-blinded prospective randomized controlled study	39 patients (randomly assigned to high-, low-dose SVF, or placebo at 1:1:1)	12 mo	WOMAC, MRI	Symptoms and pain relieved by SVF treatment for up to at least 12 mo; changes in WOMAC scores reached statistical significance in the high- and low-dose groups compared to the placebo group; the improvements were dose dependent
NCT02726945	Knee
Lapuente et al (2020)	SVF	Retrospective study	50 patients: 28 males, 22 females, age: 50-89	12 mo	Lequesne, WOMAC, VAS	All scores improved
Knee/100 OA
Tsubosaka etal(2020)	SVF	Case report	57 patients: 41 males, 16 females, mean age: 69.4	13.7 mo	ROM, WOMAC, VAS, KOOS, MRI	WOMAC, VAS and KOOS improved, while no significant difference in hip-knee-ankle angle, T2 mapping values of lateral femur and tibia improved significantly

表中的大多数研究用于膝关节OA，大约一半的临床研究是不受控制的，没有联合治疗，只有SVF被用于治疗OA。这些研究均未报告感染、急性疼痛或癌症等严重不良反应，表明SVF治疗OA是安全的。

大多数研究使用来自腹部、臀部和大腿外侧的脂肪组织，体积（对于一个膝盖）在60到215毫升之间；SVF细胞的数量从2×10⁶到3×10⁷; 用于关节内注射的SVF制剂的最终体积从2.5到5mL不等。虽然OA的程度、脂肪组织的体积、SVF细胞的数量和活力很难保持一个统一的标准，但现有的研究已经证明了积极的治疗效果，VAS、WOMAC、ROM、MRI、KOOS、Lysholm等评分改善，患者疼痛减轻，炎症症状减轻。同时，关节功能也得到一定程度的改善。图1描述了在当前临床环境中使用SVF治疗OA的一般步骤。

值得注意的是，Garza发现高剂量SVF（3×10⁷）和低剂量SVF（1.5×10⁷）组之间OA患者的最终治疗效果存在显着差异。他们指出，治疗6个月后，两组的WOMAC评分变化中位数分别为83.9%和51.5%。同时，高剂量组和低剂量组的WOMAC评分与对照组差异显着，表明OA改善程度呈SVF剂量依赖性。

基质血管部分在治疗骨关节炎的作用机制

当机体受损时，受损区域会产生信号分子，激活干细胞的归巢效应，使其迁移至受损部位，发挥组织修复作用。然而，软骨组织缺乏血管。即使是骨髓间充质干细胞，也很难迁移到损伤处，因此需要外源性干细胞注射。将SVF注入患者关节腔后，SVF中的ADSCs可通过多种趋化因子受体（如 CXCR4、整合素、选择素、血管细胞粘附分子-1）相互作用迁移至损伤区域。

尽管大量研究表明ADSCs可在体外诱导分化为软骨细胞，但尚无足够证据证明ADSCs在体内可分化为软骨细胞以修复OA治疗过程中受损的软骨组织。

现有证据表明，脂肪干细胞治疗作用的一个重要机制是脂肪干细胞的滋养作用；它们可以分泌生长因子和细胞因子，例如转化生长因子-β (TGF-β)、骨形态发生蛋白（BMP-2、BMP-4 和 BMP-7）、胰岛素样生长因子 1 (IGF-1)和成纤维细胞生长因子2 (FGF-2)。因此，ADSCs 可能促进软骨形成，诱导细胞增殖、分化和迁移，最终促进软骨损伤修复。此外，ADSCs可分泌NO、TNF-α、IL等细胞因子，发挥调节机体免疫和抗炎反应的作用。同时，ADSCs可通过表达抗凋亡蛋白抑制软骨细胞凋亡，从而减缓OA的发生。

许多研究者将PRP联合干细胞用于治疗OA并取得了满意的治疗效果。这是因为PRP可以释放多种生长因子，如血小板衍生生长因子、TGF、FGF和各种ILs。这些生长因子不仅可以调节机体的免疫反应，还可以促进和增强干细胞的修复功能。因此,PRP 可以刺激软骨细胞的增殖分化,调节内源性透明质酸的合成,有助于软骨组织损伤的修复。

SVF是一种多细胞成分，除ADSC外，还含有祖细胞、周细胞、内皮细胞、成纤维细胞和各种免疫细胞。这些细胞还通过形成微环境、分泌细胞因子和调节免疫来帮助促进软骨修复。

结论

综上所述，SVF是一种修复关节软骨损伤的有效治疗方法，尤其对缓解OA患者的疼痛等症状，改善关节功能具有重要意义。同时，SVF在临床上的治疗是非常安全的。相关机制研究揭示了SVF及其旁分泌分子在骨关节炎治疗中的有益作用，它可以介导细胞间通讯，与细胞微环境和多种细胞类型相互作用，从而引发适当的细胞反应，抑制炎症，促进软骨修复和再生和恢复关节稳态以减轻疼痛。然而，多种因素可以改变SVF及其分泌的特性，例如供体的个体差异和不同的制备标准，这可能会限制其治疗效果。

参考资料：Tang Q, Zhao XS, Guo A, Cui RT, Song HL, Qi ZY, Pan Y, Yang Y, Zhang FF, Jin L. Therapeutic applications of adipose-derived stromal vascular fractions in osteoarthritis. World J Stem Cells. 2022 Oct 26;14(10):744-755. doi: 10.4252/wjsc.v14.i10.744. PMID: 36337155; PMCID: PMC9630988.